PROCESOS
27 de Noviembre de 2013

Determinación del control automático en un proceso de calentamiento de agua

Aplicación de un programa UniSim Design. que permite la simulación de procesos para diseñar una planta, analizar operaciones y producir mejoras operativas

(*) Por: Aguerre P., Cabrera Etter S., Etter V., Menendez A.
En el presente trabajo se realizará la simulación del calentamiento de una sustancia (agua fría) por medio de otra (agua caliente) usando un intercambiador de calor. Además de la simulación en estado estacionario se llevará a cabo la corrida dinámica del proceso para posibilitar el diseño de su control automático. Serán incorporados dos lazos de control, uno para mantener constante el caudal de agua fría a calentar, el otro para mantener el valor de su temperatura en el valor deseado (set point) a la salida del intercambiador. Esto último actuando sobre el caudal de agua calefacionante.

En este resumen no serán incluidas varias figuras por razones de espacio. El trabajo completo podrá ser solicitado a los contactos indicados.

Introducción

UniSim Design es un programa que permite la simulación de procesos en estado estacionario y dinámico para diseñar una planta, para analizar operaciones provocadas intencionalmente y para producir mejoras operativas. Este programa también es ventajoso para capacitar y entrenar al personal de operación de la instalación.

Se utiliza principalmente en:

- Desarrollo de diagramas de flujo de procesos.

- Estudio del comportamiento de los equipos en un amplio intervalo de condiciones operativas.

- Evaluación del efecto de cambios en la alimentación en la seguridad y confiabilidad del proceso.

- Supervisión del rendimiento de los equipos contra objetivos operativos.

Se busca aquí poner de manifiesto las bondades del programa en el diseño y simulación de procesos en estado estacionario y dinámico. También se intenta transmitir conocimientos básicos sobre la operación de este programa, principalmente en el modo dinámico.

Por otra parte, con fines educativos, se quiere indicar conocimientos básicos del control automático de procesos.

Planteo del problema

Se desea calentar 1000 Kmol/h de agua a 20°C para llevarla a 50°C con otra corriente de agua a 70°C que se enfría a 25°C utilizando un intercambiador de calor. Se busca optimizar los lazos de control establecidos utilizando el sintonizador de parámetros de UniSim Design.

Desarrollo

En primer término se informan al simulador los componentes químicos a utilizar, en este caso, agua (water) y pure, ya que el agua se va a usar pura en el proceso, sin mezclarla con ningún otro componente.


Una serie de pasos lleva a oprimir “ENTER SIMULATION ENVIRONMENT” para iniciar la simulación.  Aparecerá el equipamiento disponible para realizar la simulación. En este caso se debe seleccionar un intercambiador de calor.


Al elegir el intercambiador aparece un cuadro de diálogo donde se debe escribir los nombres de las corrientes de entrada y de salida del intercambiador. 

En la pestaña Parameters se debe indicar la caída de presión, que en este caso de estudio se considera despreciable, por eso se le asigna valor 0.

Al presionar Connections se debe indicar las corrientes de entrada y salida del intercambiador.

A continuación se deben cargar los datos de las diferentes condiciones que tiene cada una de las corrientes del intercambiador.

En la pestaña Composition se debe colocar la composición de la corriente Agua 20°C, que en este caso por ser agua pura, se le asignará valor 1 molar.

Se deben cargar los datos de las 3 corrientes restantes de la misma forma que la de Agua 20°C, atendiendo sus temperaturas. La presión es la misma para todas las corrientes del intercambiador ya que su pérdida de carga es prácticamente nula.

Una vez cargados los datos se coloca el semáforo en verde, el que indica que se puede llevar a cabo el cálculo del intercambiador. La coloración azul oscuro de las corrientes y negro del equipo son indicativas de que el intercambiador ha sido calculado.


Para llevar a cabo la simulación dinámica, se deberán colocar válvulas para controlar los caudales. Para ello, de la paleta de equipos se debe seleccionar una válvula que se colocará en la corriente de agua a 20°C y otra que se colocará en la corriente que se alimenta a 70°C.

El proceso de intercambio de calor queda como se indica en la Figura 11.


A continuación se coloca la simulación en el Modo Dinámico. Se debe primero consultar el asistente de modo dinámico, donde se indicarán los cambios que se deben realizar para pasar del modo estacionario al dinámico.

Posteriormente seleccionar un controlador PID (Proporcional, integral y derivativo) de la paleta de equipos y colocarlo en el proceso con el objetivo de controlar el caudal de la corriente de agua a 20 °C.  Verificar los Datos del controlador e indicar la variable y seleccionar el objeto a controlar. El objeto de control será el agua a 20 ºC y la variable a controlar será su flujo molar (Molar Flow).

Luego seleccionar el objeto y la variable sobre la cual actuará el controlador. Elegir como objeto la válvula y la variable será Actuator Desired Position.  

Por ultimo colocar el OK para finalizar.


Se debe indicar el rango de operación de la válvula a través de Parameters e indicar el valor mínimo y máximo de operación de la misma. En este caso el rango será de 900 - 1100 kgmol/h.

Seleccionar del menú del programa SIMULATION ‡ INTEGRATOR y aparecerá el cuadro donde con REAL TIME y luego Start se observaran los  “Parameters”;  al  seleccionar Start Autotuner y al correr el proceso con el controlador en modo manual, aparecerán automáticamente en una tabla los valores de Kc (ganancia del controlador), Ti (tiempo integral del control) y Td (tiempo derivativo del control).

Aceptar los valores sugeridos por el simulador. Luego seleccionar Configuration y en Mode cambiar de manual a Automático el modo de control.


Repetir los pasos realizados para el controlador de caudal, para el de temperatura. La única diferencia entre ambos controladores es que en este caso se va a controlar la temperatura de salida del agua a 50°C.

También se mencionan en el trabajo (no incluido en este resumen por razones de espacio) los pasos llevados a cabo para el control de temperatura de la corriente agua 50°C y se muestra el proceso de intercambio de calor con su control de caudal y temperatura.

Si se mira el ítem Set Up, se puede marcar el tiempo de corrida del simulador, en este caso 1000 minutos y el intervalo de toma de muestra cada 20 segundos. De esta manera, se está informando a UniSim que tome muestras durante 1000 minutos en intervalos de 20 segundos.

A continuación se produce una perturbación en el proceso bajando la temperatura de la corriente agua 20°C de 20 a 15° C y se corre el integrador para observar la respuesta temporal de temperatura de la corriente agua 50°C.

Se puede guardar la tabla de valores de temperatura en función del tiempo y también graficar


En el grafico (Figura 25) se muestra la respuesta temporal de la temperatura de la corriente agua 50°C frente a una perturbación de – 5°C en la corriente agua 20°C.

Resultados

La simulación permite desarrollar el proceso y realizar las modificaciones necesarias antes de la puesta en marcha, con las ventajas operativas y económicas que esto implica.

Conclusiones

En este trabajo se buscó fundamentalmente transmitir al lector conocimientos sobre el uso del programa UniSim Design. Se puede apreciar que el simulador es una herramienta de suma utilidad para efectuar el diseño y simulación de equipos y procesos en los modos estacionario y dinámico.

Se puso en evidencia aquí las bondades del simulador para incluir y optimizar lazos de control automático a un intercambiador de calor que fue sometido a perturbaciones de sus variables.

Bibliografía

- UniSim Design. Operations Guide. Honeywell. Abril 2009.

- UniSim Design. Simulation Basis. Reference Guide. Honeywell. Abril 2009.

- UniSim Thermo. Reference Guide. Honeywell. Abril 2009.

- https://www.honeywellprocess.com/en-US/explore/products/advanced-applications/process-design/Pages/unisim-design-suite.aspx

(*) Aguerre P., Cabrera Etter S., Etter V., Menendez A.

Universidad Nacional de Lanús, Carrera de Ciencia y Tecnología de los Alimentos.

mariapia.aguerre@gmail.com, sabry.16@hotmail.com, Viviana_etter@yahoo.com.ar

Nota: El trabajo completo podrá ser solicitado a los contactos indicados.